輪葉黑藻對(duì)鉛的吸附特征及生物吸附機(jī)理研究

李國新,張丹丹,顏昌宙*,薛培英 (.中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所,福建 廈門 3602；2.湖南省建筑設(shè)計(jì)院,湖南 長沙 400)

輪葉黑藻對(duì)鉛的吸附特征及生物吸附機(jī)理研究

李國新1,2,張丹丹1,顏昌宙1*,薛培英1(1.中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所,福建 廈門 361021；2.湖南省建筑設(shè)計(jì)院,湖南 長沙 410011)

研究了輪葉黑藻對(duì)重金屬鉛的吸附特征,同時(shí)對(duì)吸附機(jī)理進(jìn)行探討.動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果表明,輪葉黑藻對(duì)鉛有較快的吸附能力,10min后鉛的去除率達(dá)到74.54%;20min后,吸附達(dá)到平衡.整個(gè)吸附過程符合偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程(R2=0.9910).Sips和Langmuir模型相比Freundlich而言,有著較好的擬合效果,表明輪葉黑藻對(duì)重金屬鉛的吸附屬于單層吸附,相鄰鉛離子間的相互干擾可以忽略不計(jì).紅外光譜分析表明:輪葉黑藻葉片富含多種活性基團(tuán),羥基、羰基和羧基、C–O及C–N為主要作用基團(tuán).吸附鉛后,輪葉黑藻葉片內(nèi)K、Na、Ca、Mg含量明顯下降,表明鉛離子因產(chǎn)生離子交換而被吸附,且鉛離子更易與二價(jià)的Ca和Mg產(chǎn)生離子交換.

輪葉黑藻；鉛；生物吸附；機(jī)理；傅里葉紅外光譜

利用廉價(jià)的生物材料對(duì)重金屬進(jìn)行吸附,用于較低質(zhì)量濃度(＜100mg/L)重金屬廢水的處理,具有吸附量高、吸附速度快等優(yōu)點(diǎn)[1-6].對(duì)植物材料如光葉眼子菜(Potamogeton lucens)、鳳眼蓮(Eichhornia crassipes)、狐尾草(Myriophyllum brasiliensis)、金魚藻(Ceratophyllum demersum)、龍須眼子菜(Potamogeton pectinatus)等的研究結(jié)果表明,沉水植物對(duì)重金屬有很好的吸附能力

[7-15].輪葉黑藻(Hydrilla verticallata)是最常見的沉水植物,廣泛存在于池塘、湖泊和水溝中,且南北各省均有分布,這種吸附材料來源廣泛且價(jià)格低廉.目前對(duì)重金屬離子生物吸附的研究,主要集中在對(duì)金屬離子的吸附特性上,而對(duì)生物吸附金屬的機(jī)理研究較少.本文研究了不同吸附條件下,輪葉黑藻對(duì)鉛的等溫吸附特征,以期探討其吸附規(guī)律.實(shí)驗(yàn)采用掃描電子顯微鏡、X射線能譜儀及傅里葉紅外光譜等儀器分析,考察了輪葉黑藻鮮樣吸附鉛前后植物葉片的表面形態(tài)變化、內(nèi)部礦質(zhì)元素含量的變化及起作用的關(guān)鍵基團(tuán)等,進(jìn)一步探討重金屬鉛的生物吸附機(jī)理.

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料輪葉黑藻采自無錫太湖水域.在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)2周,截取新鮮、健康、形態(tài)較一致的約10cm長的頂枝,用3%的鹽酸溶液浸洗后再用去離子水沖洗,晾干植物表面水分后備用.

將分析純 Pb(NO3)2配制成金屬離子質(zhì)量濃度為1000mg/L的儲(chǔ)備液,置于1000mL容量瓶中[(25±1)℃]備用.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn) 取初始濃度為100mg/L的鉛溶液100mL于200mL錐形瓶中,用0.1mol/L HNO3或 0.1mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié) pH值為5.0～6.0,加入 1.5g(以鮮質(zhì)量計(jì),數(shù)值大小由預(yù)研究得出)輪葉黑藻,將錐形瓶放在搖床中振蕩[200r/min,(25±1)℃],分別于5,10,20,30,45,60,120, 150min后,將錐形瓶內(nèi)溶液過濾,使植物從溶液中分離.用原子吸收分光光度儀(Model SolaarM, Thermo Electron, USA)測(cè)定濾液中Pb濃度.

1.2.2 吸附平衡實(shí)驗(yàn) 配制不同濃度的Pb溶液,梯度為10,50,100,150,200,250mg/L.取100mL溶液于200mL錐形瓶中,加入1.5g(以鮮質(zhì)量計(jì))輪葉黑藻,將錐形瓶放在搖床中振蕩[200r/min,(25±1)℃],120min后,將錐形瓶內(nèi)溶液過濾,使植物從溶液中分離,測(cè)定濾液中 Pb濃度.實(shí)驗(yàn)均設(shè)置 3個(gè)平行,同時(shí)進(jìn)行一系列未加植物材料的對(duì)照控制實(shí)驗(yàn).對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:錐形瓶的器壁沒有吸附重金屬,也沒有產(chǎn)生水解沉淀現(xiàn)象.

1.3 分析檢測(cè)

1.3.1 葉片掃描及能譜分析 取吸附鉛前后植物葉片中段(Pb:100mg/L),JE-OL5610LV高分辨率掃描電子顯微鏡(日本JEOL公司)進(jìn)行表面形態(tài)掃描,JSM-5000軟件成像分析.VANTAGE型X射線能譜儀(美國 Noran公司)能譜掃描,工作條件:工作距離:8.7mm;電壓:5.0kV.系統(tǒng)自帶軟件對(duì)元素相對(duì)含量進(jìn)行分析.

1.3.2 傅里葉紅外譜圖分析 分別取吸附Pb前后的輪葉黑藻葉片,放置在恒溫烘箱內(nèi)70℃烘干72h,取適量粉末樣品采用 KBr壓片法進(jìn)行傅里葉紅外譜圖分析.

1.3.3 植物體內(nèi)Pb濃度檢測(cè) 選擇吸附平衡后的輪葉黑藻,殺青30min、70℃恒溫干燥72h后,將植物莖和葉分開,稱取 0.1g植物于消煮管中,加入 10mL濃硝酸(優(yōu)級(jí)純),微波消解.消解完全后,定容至 50mL,過濾,用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)試濾液中Pb含量.同時(shí)采用國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)灌木枝葉(GBW07602)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明測(cè)定值與參考值是吻合一致的.

1.4 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)結(jié)果均用平均值表示,標(biāo)準(zhǔn)誤差＜7%.沉水植物樣品對(duì)重金屬吸附量的計(jì)算方法為:

式中: q為輪葉黑藻對(duì)重金屬的吸附量, mg/g;c0為重金屬溶液初始質(zhì)量濃度,mg/L; ct為吸附t(min)后溶液中的重金屬質(zhì)量濃度, mg/L;V為溶液體積, L; W為植物樣品的干質(zhì)量, g, W=植物鮮重(g)×12.23%(輪葉黑藻干物質(zhì)比重,數(shù)值大小由實(shí)驗(yàn)得出).

2 結(jié)果與討論

2.1 輪葉黑藻吸附Pb的動(dòng)力學(xué)研究

吸附平衡時(shí)間是生物吸附實(shí)際應(yīng)用中最重要的參數(shù)之一[16].輪葉黑藻對(duì) Pb的吸附量隨時(shí)間變化規(guī)律如圖1所示.可以發(fā)現(xiàn),輪葉黑藻對(duì)Pb有較強(qiáng)的吸附能力,且吸附量隨時(shí)間的增加而增大.在反應(yīng)初期階段,吸附反應(yīng)非常迅速,10min內(nèi)約有 74.54%的 Pb2+被吸附,此時(shí) Pb的吸附量(q=40.15mg/g)達(dá)到了 82.31%的平衡吸附量. 20min后,吸附量趨于穩(wěn)定.初期的快速吸附反應(yīng)可歸因于沉水植物表面大量的活性反應(yīng)位點(diǎn).隨著反應(yīng)的進(jìn)行,吸附位點(diǎn)逐漸被金屬離子所占據(jù),反應(yīng)速率減緩,且 Pb的解吸行為增加,最終達(dá)到吸附-解吸的平衡,故水體中Pb濃度逐漸趨于穩(wěn)定值.為確保吸附反應(yīng)達(dá)到平衡,選取 120min作為吸附的平衡時(shí)間.

圖1 吸附時(shí)間對(duì)輪葉黑藻吸附Pb的影響Fig.1 Effect of agitating time on the biosorption of Pb(II) onto H. verticallata

輪葉黑藻對(duì)Pb的吸附可以用偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程來描述,該方程表明重金屬的吸附能力與生物吸附劑表面的活性反應(yīng)位點(diǎn)成正比.偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程為[17]:

式中: k為偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù), g/(mg?min); qe為平衡吸附量, mg/g; qt為 t時(shí)刻重金屬的吸附量, mg/g.式(2)可以變形為[18]:

圖2 輪葉黑藻吸附Pb的偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)Fig.2 Pseudo-second order kinetic of the biosorption of Pb(II) onto H. verticallata

式中: qe2k為開始時(shí)的吸附反應(yīng)速率.以 t/qt對(duì) t作圖可得直線方程,其截距為1/(kqe2),斜率為1/qe,從而可以確定常數(shù)qe和k.如圖2所示,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型方程有很好的一致性.對(duì)輪葉黑藻吸附Pb而言,t/qt隨 t的增大而增大,二者成線性關(guān)系,且相關(guān)系數(shù)可達(dá) 0.9910,這表明偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程可用于描述輪葉黑藻對(duì) Pb的吸附動(dòng)力學(xué)特征.從直線的斜率和截距可以分別計(jì)算出qe(48.78mg/g)和k(0.014g/mg min), qe的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值(48.49mg/g)有很好的一致性.

2.2 輪葉黑藻對(duì)Pb吸附的平衡方程

生物吸附能力可以用吸附等溫線來描述[19].吸附過程的模擬不僅可以獲得生物吸附能力、吸附材料的表面特征[20],而且可以提供有效的吸附改良方法,進(jìn)一步提高吸附效率.常用的吸附等溫方程有Langmuir模型、Freundlich模型和Sips模型.

Langmuir假設(shè)吸附劑表面均勻,各處的吸附能相同;吸附是單分子層的,當(dāng)吸附劑表面的吸附質(zhì)飽和時(shí),其吸附量達(dá)到最大值;在吸附劑表面上的各個(gè)吸附點(diǎn)間沒有吸附質(zhì)的轉(zhuǎn)移移動(dòng);達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),吸附和脫附的速度一樣.Langmuir吸附模型為:

式中: qe為平衡吸附量, mg/g; ce為金屬離子在液相中的平衡濃度, mg/L; b為Langmuir常數(shù); qmax為理論最大吸附容量, mg/g.

Freundlich吸附模型適用于對(duì)高濃度吸附質(zhì)吸附現(xiàn)象的描述,對(duì)于低濃度吸附質(zhì)則不符合實(shí)際吸附現(xiàn)象.Freundlich模型方程為:

式中: qe為平衡吸附量, mg/g; ce為金屬離子在液相中的平衡濃度, mg/L; K、n在一定溫度下對(duì)指定體系而言是常數(shù).n決定了等溫線的形狀,一般認(rèn)為:1/n值介于0.1～0.5,則易于吸附;1/n＞2時(shí)則難以吸附.利用K和1/n可以比較不同吸附劑的特性.

Sips模型結(jié)合了L型和F型吸附等溫式特征,用3個(gè)參數(shù)來表征吸附體系,其表達(dá)式為[21]:

式中: KLF、aLF和nLF是3個(gè)常數(shù); ce為金屬離子在液相中的平衡濃度, mg/L; nLF在0～1之間變化.當(dāng)nLF=1時(shí),式(6)可轉(zhuǎn)變成L型吸附等溫式;當(dāng)吸附質(zhì)濃度很低時(shí),式(6)可轉(zhuǎn)變?yōu)镕型吸附等溫式.

運(yùn)用Sigmaplot 10.0軟件非線性回歸各類模型,各模型的回歸結(jié)果見表1所示.從模型相關(guān)系數(shù)(R2)可以看出,對(duì)輪葉黑藻吸附 Pb而言, Sips和 Langmuir模型的相關(guān)系數(shù)均大于 Freundlich模型,且Langmuir模型的qmax與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較相吻合,這表明前2種模型相比Freundlich而言,有著較好的擬合效果,同時(shí)也表明:輪葉黑藻對(duì)重金屬Pb的吸附屬于單層吸附,相鄰鉛離子間的相互干擾可以忽略不計(jì).

吸附方程 參數(shù) 取值K 30.29 Freundlich模型n 7.14 R2 0.954 b (mg-1) 3.39 Langmuir模型qmax (mg/g) 54.80 R2 0.986 aLF 0.88 Sips模型KLF 66.50 nLF 0.34 R2 0.999

2.3 鉛在輪葉黑藻組織中的分布

植物頂枝屬于水生植物生命力最強(qiáng)的一部分,植物活性最強(qiáng),莖略細(xì),而植物葉片則較茂盛.植物莖和葉片不同的成分差異可能帶來吸附量的不同,故在機(jī)理實(shí)驗(yàn)中,需莖和葉分開來檢測(cè),進(jìn)行對(duì)比分析.

從圖3可以看出,不同處理濃度下的輪葉黑藻莖和葉組織中,葉片中 Pb的含量明顯大于莖,方差分析結(jié)果表明,雙尾檢驗(yàn)值[Sig.(2-tailed)= 0.004]＜0.05,表明二者含量差異顯著,輪葉黑藻對(duì)鉛的吸附大部分聚集于葉片中.王煥校[22]認(rèn)為,重金屬離子進(jìn)入植物細(xì)胞的過程主要有兩種方式:一種是細(xì)胞壁等質(zhì)外空間的吸附,一種是污染物透過細(xì)胞質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞的生物過程.對(duì)Pb而言,由于它的離子半徑較大,配位能力弱,不易透過細(xì)胞壁和質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞液中,因此沉水植物對(duì)Pb的吸附主要靠細(xì)胞內(nèi)自由空間的非代謝性擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),即細(xì)胞壁的吸附、非共質(zhì)體沉積等方式獲得,只有當(dāng)這種結(jié)合達(dá)到飽和后才開始透過細(xì)胞壁和質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中.沉水植物的葉一般較小,或很薄,往往只有二到三層細(xì)胞,甚至一層,表面也沒有角質(zhì)層,這樣細(xì)胞和外界的接觸面積就很大,可以直接進(jìn)行物質(zhì)交換或吸附.

圖3 輪葉黑藻吸附Pb后莖和葉中Pb的含量Fig.3 Value of lead in stem and leaf for H. verticallata after biosorption

2.4 吸附 Pb前后葉片表皮細(xì)胞形態(tài)及掃描能譜分析

吸附反應(yīng)在20min內(nèi)達(dá)到平衡,重金屬大部分均吸附于植物細(xì)胞表面,吸附量大小與植物材料表面細(xì)胞形態(tài)息息相關(guān).植物葉片的表面形態(tài)特征及元素含量對(duì)重金屬吸附性能有著重要的決定作用.

吸附Pb前后輪葉黑藻葉片中段表皮細(xì)胞形態(tài)如圖4所示.正常的輪葉黑藻植株健壯,葉片均為深綠色,植物葉片表皮細(xì)胞均呈規(guī)則的長方形,且顆粒飽滿、分布均勻.吸附Pb后,在重金屬離子的作用下,細(xì)胞內(nèi)外離子的快速交換過程使得細(xì)胞明顯干癟、細(xì)胞發(fā)生明顯的變形,細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)的完整性遭到破壞.

圖4 吸附Pb2+前后輪葉黑藻葉片表皮細(xì)胞形態(tài)變化Fig.4 SEM images of epidemis cells in H.verticallata before and after bisorption of Pb2+

吸附Pb前后輪葉黑藻葉片掃描能譜分別如圖5所示.從圖5可以看出,輪葉黑藻富含C、O等元素,這為基團(tuán)絡(luò)合吸附重金屬提供可能.對(duì)比吸附Pb前后能譜圖可以看出,在吸附Pb后,輪葉黑藻葉片內(nèi) K、Na、Ca、Mg等含量明顯下降,表明礦質(zhì)元素被Pb離子置換出來,Pb離子因產(chǎn)生離子交換而被吸附.二價(jià)的Ca和Mg含量下降更顯著,表明相較正一價(jià)離子, Pb離子更易與二價(jià)的Ca和Mg產(chǎn)生離子交換而被吸附.

2.5 吸附Pb前后輪葉黑藻葉片紅外分析

對(duì)吸附Pb前輪葉黑藻葉片進(jìn)行紅外光譜掃描,結(jié)果如圖6中a線所示.可見,輪葉黑藻葉片富含—OH、—NH2、C–O和C═O等多種活性基團(tuán).吸附Pb前輪葉黑藻葉片的傅里葉紅外譜圖顯示:吸收峰 3412cm-1代表—OH 和—NH2基團(tuán);2926cm-1代表C–H基團(tuán);吸收峰1638cm-1主要代表 C═O鍵的伸縮振動(dòng),即代表羰基基團(tuán);吸收峰 1425cm-1代表羧基基團(tuán);吸收峰 1000～1100cm-1代表則C–OH鍵的伸縮振動(dòng),它屬于多糖物質(zhì)的一個(gè)特征峰.吸附Pb后輪葉黑藻葉片紅外光譜如圖6中b線所示,對(duì)比吸附Pb前后的紅外譜圖可以發(fā)現(xiàn),吸附 Pb后,部分吸收峰發(fā)生偏移.羧基(吸收峰1425cm-1)和羰基(1654cm-1)偏移到較低的吸收峰值上,這是基團(tuán)和重金屬之間發(fā)生絡(luò)合作用的結(jié)果.Suleman等[23]的研究結(jié)果表明,菩提榕樹葉富含—OH、—NH、C═N、C═O、C–OH、C═S、N–H等多種基團(tuán),在Pb的吸附過程中,起作用的主要基團(tuán)為—OH和C═O.Sibel[24]等的研究結(jié)果表明,—CH2、—OH、C–O、P═O和P–OH等基團(tuán)在尖葉雪果吸附Pb的過程中起主要作用.可見,Pb的吸附與吸附材料表面基團(tuán)特性息息相關(guān).

圖6 輪葉黑藻葉片吸附Pb前后紅外譜圖對(duì)比分析Fig. 6 FTIR spectra of H. verticallata before and after biosorption of lead a:原葉片; b:Pb處理后

為進(jìn)一步驗(yàn)證譜峰 900～1400cm-1內(nèi)起作用的關(guān)鍵基團(tuán),運(yùn)用Merroun等[25]的分析方法,計(jì)算在900～1400cm-1范圍內(nèi),吸附Pb前后葉片的光譜透光率差異,結(jié)果如圖7所示.可以發(fā)現(xiàn),在波長為 1012cm-1(代表 C–O 鍵的伸縮振動(dòng))和1082cm-1(代表 C–N鍵的伸縮振動(dòng))處,透光率差異獲得最小值,這表明吸附前后譜峰差異對(duì)比最大,二者均參與Pb的生物吸附.

圖7 輪葉黑藻葉片吸附Pb前后光譜差異Fig.7 IR spectra difference of leaves of H. verticallata before and after biosorption

3 結(jié)論

3.1 輪葉黑藻鮮樣對(duì)鉛的吸附反應(yīng)在20min內(nèi)達(dá)到平衡,且吸附過程符合偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,相關(guān)系數(shù) R2可達(dá) 0.9910.等溫吸附曲線符合Langmuir、Freundlich和 Sips 3種模型,其中以Sips模型擬合效果最好,模型參數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較相符合,且相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.999.

3.2 吸附Pb后,在重金屬離子的作用下,細(xì)胞內(nèi)外離子的快速交換過程使得細(xì)胞明顯干癟、細(xì)胞發(fā)生明顯的變形,細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)的完整性遭到破壞.Pb2+大部分被輪葉黑藻葉片所吸附.在吸附Pb2+后,輪葉黑藻葉片內(nèi)K、Na、Ca、Mg等含量明顯下降,表明Pb2+因產(chǎn)生離子交換而被吸附,且Pb2+更易與二價(jià)的Ca和Mg產(chǎn)生離子交換.

3.3 輪葉黑藻葉片紅外光譜分析結(jié)果表明:葉片富含—OH、—NH2、C–O、C–N和C═O等多種活性基團(tuán),羥基(吸收峰 3412cm-1)、羧基(吸收峰1425cm-1)和羰基(吸收峰1654cm-1)在吸附Pb前后有較大譜峰偏移, Pb與這些基團(tuán)發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),實(shí)現(xiàn)生物吸附.

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Characterization and mechanism studies on biosorption of lead onto Hydrilla verticallata.

LI Guo-xin1,2, ZHANG Dan-dan1, YAN Chang-zhou1,*, XUE Pei-ying1(1.Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China；2.Hunan Provincial Architectural Design Institute, Changsha 410011, China). China Environmental Science, 2011,31(8)：1327～1333

The characterization and mechanism of biosorption of lead onto H. verticallata were studied in this paper. The kinetic study showed that biosorption rate of lead(II) onto H. verticallata was fast as about 74.54% of total lead was removed within 10min and equilibrium was established within 20min. The overall sorption rate can be well fitted to the pseudo-second order model, with correlation of determination (R2) of 0.9910. Sips and Langmuir model were the better-fitting models for the biosorption of lead(II) onto H. verticallata than Freundlich model, which indicated that the biosorption of lead(II) onto H.verticallata follows monolayer coverage of lead(II) on the biomass surface and the interaction between lead molecules can be negligible. The FTIR spectra of biomass showed that there are lots of active groups on leaves of H. verticallata, and the possible functional groups responsible for lead(II) binding were carboxyl, hydroxyl, carbonyl groups, C–O and C–N. The concentration of mineral elements in leaves such as K, Na, Ca, Mg decreased after biosorption of lead, which indicated that lead(II) could be absorbed caused by ion exchanging with mineral elements.Furthermore,divalent elements such as Ca and Mg had better ion exchange capacity with lead ions.

Hydrilla verticallata；lead；biosorption；mechanism；FTIR spectra

X173

A

1000-6923(2011)08-1327-07

2010-11-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20777059)

* 責(zé)任作者, 研究員, czyan@iue.ac.cn

李國新(1981-),男,湖北公安人,博士,主要從事城市水環(huán)境生態(tài)與修復(fù)研究.發(fā)表論文10余篇.